Часы фиксируют течение времени — например, отсчитывая колебания маятника — и автоматически генерируют энтропию и, следовательно, тепло. Эффект обычно невелик, но для работы квантовых часов, которые понадобятся в будущих квантовых процессорах, связь между хронометрией и выделением тепла может быть важной.
Теперь, используя часы, собранные из двух одноэлектронных ловушек, известных как квантовые точки, исследователи измерили энтропию, создаваемую при записи тиков часов. Они обнаружили, что этот процесс генерирует гораздо больше энтропии и тепла, чем квантовые операции часов. Исследователи надеются, что их работа даст ключ к созданию более практичных квантовых технологий.
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики требует, чтобы любые часы генерировали энтропию в процессе измерения времени, говорит Флориан Мейер, аспирант Венского технического университета. Эта энтропия возникает из-за силы, необратимо толкающей систему в одном направлении, например, из-за пружины, вращающей стрелки часов, или гравитации, перемещающей песчинки через отверстие. Но в наномасштабе тепловые флуктуации значительны, и можно представить часы без такой силы. Например, электрон может перескакивать с одной квантовой точки на соседнюю, а затем обратно, и часы могут регистрировать «тик» при каждом перескоке. Такие перескоки были бы обратимыми и не генерировали бы энтропию. «Это наблюдение, похоже, противоречит принципу, согласно которому часы всегда рассеивают энергию и создают энтропию», — говорит Мейер.
Попытка разрешить парадокс
Чтобы разрешить этот парадокс, Мейер объединился с Натальей Арес и коллегами из Оксфордского университета в Великобритании для создания так называемых квантовых часов, которые позволили бы им измерить генерацию энтропии. Мейер, Арес и их коллеги разработали часы на основе пары квантовых точек. Каждый тик происходит, когда часы проходят через полный цикл из трёх состояний и возвращаются к началу: состояние 0, где каждая точка незанята; состояние L, где один электрон находится на левой точке; и состояние R, где электрон перескочил на правую точку. На каждом шаге система может двигаться вперёд или назад, но подача соответствующего напряжения на точки может изменить вероятности перемещения цикла в любом направлении.
Команда отслеживала состояние часов, измеряя ток, текущий к соседней точке-«датчику заряда» в ответ на отдельное приложенное напряжение. Каждое из трёх состояний порождало своё значение тока, но для их различения требовался достаточный ток. Увеличение напряжения на датчике приводило к увеличению тока и более чистому сигналу. Однако более высокий ток также приводил к выделению большего количества тепла и энтропии. Исследователи могли точно контролировать и определять эту энтропийную стоимость измерения и записи сигнала часов.
Результаты исследования
Подобный компромисс между качеством и генерацией энтропии наблюдался ранее для регулярности тиков квантовых часов, но не был показан для измерения сигнала часов. И эта энтропийная стоимость оказалась в миллиард раз больше, чем энтропия, генерируемая при циклическом движении квантовых часов, говорит Арес.
Это значительное выделение энтропии оказалось решением кажущегося парадокса. Даже если напряжение на двойных квантовых точках установлено на ноль — это означает отсутствие чистого циклического движения часов вперёд или назад, и тиканье не генерирует энтропию — команда обнаружила, что полезный временной сигнал всё равно может быть извлечён. Второй закон не нарушается, потому что энтропия производится при измерении с помощью точки-«датчика заряда».
Арес говорит, что работа подчёркивает серьёзную проблему, стоящую перед разработчиками квантовых технологий: чтобы использовать эти деликатные машины для компьютеров или датчиков, исследователям потребуются способы мониторинга их состояний без выделения такого количества тепла в процессе измерения. «Установив, что извлечение тиков обычно доминирует над энтропийной стоимостью хронометража», — говорит Арес, — «наша работа может помочь в разработке будущих конструкций микроскопических часов для повышения их точности наиболее термодинамически эффективным способом».
Эдвард Лэрд, эксперт по квантовым электронным устройствам в Ланкастерском университете в Великобритании, говорит, что ценность текущей работы заключается в том, что она изучает элегантную модель часов, в которой тикер и измерительный аппарат являются частью разных цепей. «Результаты будут полезны для понимания конечных эксплуатационных расходов различных видов часов, включая те, которые используются для синхронизации операций на компьютерных чипах», — говорит Лэрд.